Способ непрерывного литья заготовок в кристаллизаторе с пористым формообразующим элементом

 

Изобретение относится к металлургии, конкретно к непрерывному литью заготовок из металлов и сплавов. Сущность изобретения заключается в том, что в способе непрерывного литья заготовок в кристаллизатор с пористым формообразующим элементом, состыкованным с охлаждаемым сплошным элементом, включающим подачу расплава в кристаллизатор, вытягивание заготовки из кристаллизатора, подачу инертного газа под давлением к формообразующему элементу, подачу охлаждающей жидкости в сплошную стенку кристаллизатора, определяют разность температур охлаждающей жидкости на входе и выходе из сплошной стенки кристаллизатора и за счет изменения давления газа поддерживают ее в определенном диапазоне. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к металлургии, конкретно к непрерывному литью заготовок из металлов и сплавов.

Известен способ регулирования отвода теплоты в кристаллизаторе [1] заключающийся в измерении фактически отведенного количества теплоты и последующего сравнения его с заданным значением, после чего отвод теплоты регулируется в зависимости от установленного отклонения фактического количества отводимой теплоты от заданного. Недостатком этого способа является то, что в нем не задействован эффективный управляющий параметр, обеспечивающий регулирование интенсивности теплопередачи.

Известен способ автоматического управления тепловым режимом кристаллизатора, предусматривающий измерение и автоматическую стабилизацию температурного перепада воды на входе и выходе из кристаллизатора изменением расхода воды [2] Указанный способ не позволяет эффективной управлять интенсивностью теплопередачи при непрерывном литье цветных металлов и сплавов ввиду относительно слабого влияния расхода воды на отвод тепла в кристаллизаторе [3] В техническом решении [4] заявлен кристаллизатор с пористым рабочим элементом, состыкованным с охлаждаемым сплошным элементом, при этом предусмотрена подача инертного газа через пористый рабочий элемент с образованием тонкого газового слоя между слитком и кристаллизатором. Тем самым обеспечивается достаточно высокая интенсивность теплопередачи, исключение смазки (флюса) и вибрации кристаллизатора. Недостатком данного технического решения является сложность поддержания стабильного и достаточно тонкого газового слоя между слитками и кристаллизатором, вследствие чего не гарантируется исключение локальных контактов поверхности слитка с кристаллизатором. В контактных зонах неизбежно трение слитка с кристаллизатором, ведущее к появлению дефектов на поверхности слитка.

Техническое решение по заявке [4] наиболее близко к предлагаемому изобретению и принято в качестве ближайшего аналога.

Задачей, решаемой изобретением, является управление процессом непрерывного литья заготовок в кристаллизаторе с пористым формообразующим элементом.

Техническим результатом, достигаемым за счет использования изобретения, является стабильно высокое качество литой заготовки.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе управления процессом непрерывного литья заготовок в кристаллизаторе с пористым формообразующим элементом, включающем подачу расплава в кристаллизатор, вытягивание заготовки из кристаллизатора, подачу инертного газа под давлением к пористому формообразующему элементу, подачу охлаждающей жидкости в сплошную стенку кристаллизатора, состыкованную с пористым формообразующим элементом в процессе литья, определяют разность температур охлаждающей жидкости на входе и выходе из сплошной стенки кристаллизатора и за счет изменения давления газа поддерживают ее в диапазоне, определяемом соотношением: , где Δt разность температур воды (t₂ t₁), здесь t₁, t₂ температура на входе и выходе из кристаллизатора; R параметр, равный ((R_ст)₁ + (R_ст)₂ + R_в) здесь (R _ст)₁, (R_ст)₂ термические сопротивления соответственно сплошной и пористой стенок; R_в - термическое сопротивление теплоотдаче на границе соприкосновения сплошной стенки с водой; (ζ_з)₁, (ζ_з)₂ нижний и верхний пределы величины зазора между литой заготовкой и кристаллизатором; λ_з теплопроводность газа; S рабочая поверхность кристаллизатора; C удельная теплоемкость охлаждающей воды; ρ плотность охлаждающей воды;
Z расход воды в кристаллизаторе;
t_кр температура кристаллизации металла.

Поставленная задача также решается за счет того, что при достижении верхнего заданного по технологии предела Dt давление газа снижают, при достижении нижнего увеличивают.

Поставленная задача также решается за счет того, что изменение давления газа осуществляют по всей поверхности пористого формообразующего элемента.

Способ основывается на существовании определенной зависимости между интенсивностью теплопередачи и термическим сопротивлением газового зазора между заготовкой и кристаллизатором, что следует из уравнения для среднего коэффициента теплопередачи в кристаллизаторе:

где R_в термическое сопротивление теплоотдаче на границе соприкосновения сплошной стенкой с водой;
(R_ст)₁ термическое сопротивление сплошной стенки с теплопроводностью λ₁;
(R_ст)₂ термическое сопротивление пористой стенки теплопроводностью λ₂;
Из соотношения /1/ следует гиперболическая зависимость K от R_з, которая, например для характерных значений R_в 70 мм²К/Вт (канал водяного охлаждения шириной 5 мм), (R_ст)₁ 18 мм²К/Вт /(медь толщиной 7,5 мм), (R_ст)₂ 9 мм² К/Вт /медь толщиной 7,5 мм с пористостью П 0,3; λ₂=λ₁(1-1,5×П)=λ₁(1-1,5×0,3)=0,55λ₁) имеет вид, приведенный на фиг. 1 (инертный газ азот); теплопроводность азота λ_з=0,0002403 Вт/см·град/C/ по данным работы [5]
Из сопоставления частных термических сопротивлений уравнения (1) следует, что превалирующее влияние на величину K оказывает термическое сопротивление R_з. Так, при величине зазора ζ_з=0,015 мм R_з (азот) составляет 645 мм²К/Вт, что в 6 7 раз превышает сумму остальных термических сопротивлений (70 + 18 + 9) мм²К/Вт. Увеличение зазора в области его малых значений приводит к резкому снижению интенсивности теплопередачи.

В соответствии с этим для обеспечения высокой интенсивности теплопередачи величину зазора следует поддержать на низком уровне. Однако прямой контроль величины зазора исключительно сложен. Вместе с тем из приведенной существенной зависимости K от Вт следует, что интенсивность теплопередачи может рассматриваться как косвенная характеристика величины зазора.

При этом на практике интенсивность теплопередачи в кристаллизаторе может быть определена по уравнению:

где L расход воды в кристаллизаторе;
c, ρ удельная теплоемкость и плотность воды;
t₁, t₂ температура воды на входе и выходе из кристаллизатора;
средняя температура воды в кристаллизаторе;
средняя температура поверхности заготовки в кристаллизаторе;
S рабочая поверхность кристаллизатора.

Учитывая, что можно приближенно принять, равной температуре кристаллизации металла (сплава) t_кр, а величину , равной температуре воды на входе в кристаллизатор t₁ (ввиду относительной малости Δt=t₂-t₁), формула (2) может быть представлена в виде:

Отсюда следует, что

При фиксированном расходе воды (на практике он в процессе литья примерно постоянен), величина К пропорциональна ее нагреву в кристаллизаторе. Поэтому по нагреву воды, который определяется достаточно просто с помощью известных термических устройств, можно судить об интенсивности теплопередачи в кристаллизаторе. Поэтому по нагреву воды, который определяется достаточно просто с помощью известных термометрических устройств, можно судить об интенсивности теплопередачи в кристаллизаторе. Задавая определенный диапазон регулирования нагрева воды (интенсивности теплопередачи), оказывается возможным по сигналу соответствующего датчика сформулировать управляющий сигнал исполнительного механизма, регулирующего давление газа, подаваемого к пористой стенке и по выходе из нее, что в свою очередь обеспечивает поддержание требуемого уровня зазора и интенсивности теплопередачи в кристаллизаторе.

Величину зазора между литой заготовкой и кристаллизатором поддерживают, например в диапазоне от x₃₁=0,01 до ζ_з2=0,05 мм, что соответствует области значений коэффициента теплопередачи от К₁ 2000 до К₂ 500 Вт/м²К.

Превышение верхнего из указанных пределов ζ_з (понижение К менее значения К₂), требует значительного давления и расхода газа, что экономически нецелесообразно. Кроме того, снижается интенсивность теплопередачи настолько, что возникает опасность прорыва расплава из-за формирования в кристаллизаторе слишком тонкой корки.

С другой стороны, снижение величины зазора менее нижнего предела (0,01 мм) и соответственно превышение величины К≥К₁ создает опасность возникновения участков контактирования заготовки с кристаллизатором в реальных условиях, когда смещения заготовки относительно оси кристаллизатора, обусловленные воздействием вытягивающего устройства, превысят величину зазора, обусловленного давлением газовой завесы.

Схема управления процессом по предложенному способу проиллюстрирована на фиг. 2: температура охлаждающей воды на входе и выходе из кристаллизатора измеряется термометром сопротивления 1 и 2 с последующим алгебраическим суммированием их сигналов в датчике температурного перепада 3. Полученный сигнал разности сравнивается с сигналом задатчика перепада 4 и полученная разность поступает на вход регулятора 5, воздействующий на дросселирующий клапан подачи газа 6. Измеритель 7 непрерывно измеряет давление инертного газа, подаваемого в зону контакта слитка и рабочей поверхности кристаллизатора. В случае отклонения температурного перепада в кристаллизаторе от расчетного значения датчика 8 функциональный корректор 9 вырабатывает параллельно корректирующее воздействие, направленное на изменение заданного значения поддерживаемого температурного перепада 4 в сторону его повышения при понижении давления вдуваемого газа и понижения при повышении давления вдуваемого газа.

Таким образом, в этом случае система поддерживает температурный перепад с некоторой неравномерностью по тепловой нагрузке кристаллизатора.

Пример использования способа.

Осуществляется непрерывное литье слитка латуни Л63 100 мм. В нижнюю часть кристаллизатора вводится поддон и уплотняется зазор между поддоном и кристаллизатором. В кристаллизатор подается охлаждающая жидкость и через пористую рабочую стенку инертный газ (азот). Производится заливка расплава в кристаллизатор и включается механизм вытягивания слитка. Рабочий расход воды устанавливается на уровне 1 дм³/C и контролируется разность температур воды на входе и выходе из кристаллизатора соответствующим датчиком, например дифференциальным термостолбиком (батарея термопар хромель-копель). Нагрев воды Δt в кристаллизаторе поддерживается в диапазоне 9 -7^oC путем регулирования давления газа (отмеченный диапазон Δt соответствует области значений К 670 960 Вт/м²К и ζ_з=0,020÷0,030 мм). При падении нагрева воды ниже 7^oC (превышении величины ζ_з=0,030 мм) регулятор давления газа срабатывает на снижение величины давления, что приводит к уменьшению величины зазора между заготовкой и кристаллизатором и увеличению интенсивности теплопередачи (нагрев воды). При повышении величины нагрева воды, соответствующей 9^oC, (снижении ζ_з менее 0,020 мм) регулятор давления срабатывает, что ведет к увеличению зазора и снижению интенсивности теплопередачи. В результате с помощью данного способа обеспечивается поддержание в заданном диапазоне величины зазора между литой заготовкой и кристаллизатором, что позволяет исключить трение и обеспечить стабильно высокое качество литой заготовки.

Предложенное техническое решение имеет изобретательский уровень и обладает существенной новизной:
1) используется новая совокупность признаков (разность температур воды на входе и выходе из кристаллизатора, давление газа) вместо известной совокупности признаков (разность температур воды, расход воды);
2) за счет использования новой совокупности признаков и взаимосвязей между ними создается новое качество эффект стабилизации зазора по всей высоте кристаллизатора и интенсивности теплопередачи путем поддержания их в заданных узких эффективных пределах, что в свою очередь обеспечивает стабильно-высокое качество литой заготовки, недостижимое в известных способах.

Формула изобретения

1. Способ управления процессом непрерывного литья заготовок в кристаллизаторе с пористым формообразующим элементом, включающий подачу расплава в кристаллизатор, вытягивание заготовки из кристаллизатора, подачу инертного газа под давлением к пористому формообразующему элементу, подачу охлаждающей жидкости в сплошную стенку кристаллизатора, состыкованную с пористым формообразующим элементом, отличающийся тем, что в процессе литья определяют разность температур охлаждающей жидкости на входе и выходе из сплошной стенки кристаллизатора и за счет изменения давления газа поддерживают ее в диапазоне, определяемом соотношением

где Δt разность температур воды (t₂ t₁), где t₁ и t₂ температура на входе и выходе из кристаллизатора;
R (R_cт)₁+(R_ст)₂+R_в, где (R_ст)₁ и (R_ст)₂ термические сопротивления соответственно сплошной и пористой стенок, R_в термическое сопротивление теплоотдаче на границе соприкосновения сплошной стенки с водой;
(ζ_з)₁и (ζ_з)₂ нижний и верхний пределы величины зазора между литой заготовкой и кристаллизатором;
λ_з теплопроводность газа;
S рабочая поверхность кристаллизатора;
С удельная теплоемкость охлаждающей воды;
ρ плотность охлаждающей воды;
L расход воды в кристаллизаторе;
t_кр температура кристаллизации металла.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при достижении верхнего заданного по технологии предела Dt давление газа повышают, при достижении нижнего
уменьшают.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что изменение давления газа осуществляют по всей поверхности пористого формообразующего элемента.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2